Radarsysteme für Präzisionsmessungen im Stahlwerk

Warm- und Kaltwalzprozessen kommt im Rahmen der Stahlproduktion eine besondere Bedeutung zu, da sie maßgeblich die Qualität des Endproduktes, welches als aufgewickeltes Metallband (»Coil«) ausgeliefert wird, beeinflussen. Radarsysteme bieten aufgrund ihrer Robustheit eine sinnvolle Ergänzung zu bestehenden Messverfahren. Dabei sind die Rahmenbedingungen für präzise Messsysteme im Stahlwerk alles andere als optimal: Schmutz, Dampf, Vibrationen und Temperaturschwankungen erschweren den Einsatz empfindlicher Messmittel.

Heißer Rohstahl auf Fließband
© Fraunhofer FHR

Heißer Rohstahl auf dem Fließband

Gleichzeitig sind die Anforderungen an die Systeme sehr hoch, 24/7-Betrieb, hohe Ausfallsicherheit und eine Messgenauigkeit, die bei wenigen hundert Mikrometern liegt, sind nur einige der Anforderungen an die Sensoren. 
Radarsysteme sind bekannt dafür, dass die verwendeten elektromagnetischen Wellen auch unter erschwerten Sichtbedingungen unverfälschte Messungen erlauben. Aus diesem Grund basieren viele Systeme in sicherheitsrelevanten Anwendungen auf Radartechnologie – sei es bei der Personenkontrolle, der Überwachung des Luftraums zur Kollisionsvermeidung oder bei den Fahrerassistenz-Systemen in modernen Fahrzeugen.

Diese Gründe motivierten die Entwicklung von Radar-Sensoren für die Stahlindustrie. Dabei sind die Messaufgaben vielfältig. Radar-Sensoren erlauben die Vermessung der Breite von Bändern, eignen sich aber auch zur Bestimmung der Materialstärke des durchlaufenden Bandes oder halten die Bänder in Kombination mit einer Regelung in der Mitte der Führungsrolle. Die Messungen erfolgen dabei berührungslos auch über mehrere Meter Abstand, bei hohen Bandgeschwindigkeiten von 4 bis 20 Metern pro Sekunde und hoher Messgenauigkeit. Um den Geschwindigkeitsanforderungen in den Anlagen gerecht zu werden, laufen die Auswerteprozesse auf modernen FPGAs. Damit ist sichergestellt, dass die Systeme den Anforderungen der Anlagen an eine Echtzeit-Prozessierung gerecht werden. Insbesondere in Warmwalzwerken sind die Sichtbedingungen aufgrund des starken Kühlmitteleinsatzes extrem schwierig. Gerade unter diesen Bedingungen können Radarsysteme ihre besondere Stärke ausspielen und zeigen hervorragende Ergebnisse. Ausschlaggebend ist dabei die hohe Messdynamik, über welche die eigens entwickelten Radarsysteme verfügen. Der erreichte Dynamikbereich der operativen Systeme liegt je nach Anwendung zwischen 60 dB und 90 dB. Das bedeutet, dass selbst wenn nur der einmillionenste Teil der ausgesendeten Sendeleistung das Radar wieder erreicht, der Abstand zur Bandkante detektiert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Radarstrahlung durch den Sprühnebel kaum gedämpft wird.

Diese Präzision lässt sich mit einfachen Standardverfahren nicht mehr erreichen. Aus diesem Grund wurden speziell auf die Frequenz modulierten Radarverfahren abgestimmte Algorithmen zur Hochauflösung sowie neue Verfahren zur Inline-Kalibration entwickelt und implementiert. In den letzten Jahren konnte in unterschiedlichen Anlagen und Werken die Leistungsfähigkeit moderner Radarsensorik demonstriert werden. Dabei musste anfänglich eine Vielzahl von Herausforderungen überwunden werden. Bei der Umsetzung von Labormessungen in das reale Arbeitsumfeld entstanden Probleme und Herausforderungen, die umfangreiche technologische Anpassungen erforderlich machten. So mussten mechanische Konstruktionen für die rauen Umgebungsbedingungen gehärtet werden, genauso wie für den Dauerbetrieb ausgelegte Hard- und Softwareschnittstellen entwickelt wurden. Die Anpassungen für die jeweiligen Anlagen sind dabei unterschiedlich. So ist sichergestellt, dass jede Anlage ihre maßgeschneiderte Lösung erhält. Das Ergebnis ist ein robuster, universell einsetzbarer Radarsensor, der sowohl zur Kontrolle von Kalt- als auch von Walzwarmprozessen eingesetzt werden kann.

Die Umsetzung in reale Produkte erfolgt mit industriellen Partnern, die auf die Integration von Messtechnik in Industrieanalagen für die Stahlproduktion spezialisiert sind. Ziel ist dabei immer, das Produkt nicht aus den Augen zu verlieren und die Kunden von der Idee bis zum fertigen Produkt zu begleiten und zu unterstützen. Waren die bisherigen Systeme noch aus diskreten Einzelteilen aufgebaut, wird die nächste Generation von Radarsystemen komplett auf einem einzelnen Chip in günstiger SiGe-Technologie gefertigt. Dieser öffnet die Möglichkeit zu komplexen, mehrkanaligen Systemen in der Stahlproduktion und ebnet damit den Weg zu einer völlig neuen Generation von Messsystemen.